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地球上最大和最小性細胞:小得難以置信 大得令人驚奇

地球上最大和最小性細胞:小得難以置信 大得令人驚奇

海星卵細胞上的精子

不同動物的卵大小各有不同

據國外媒體報道,自然界中,精子和卵子既可以小得令人難以置信——比人類產生的還要小很多,也可以大得令人驚奇。

精子是人體最小的細胞,也是最複雜的細胞之一,而卵子是人體最大的細胞,具有同樣驚人的複雜程度。讓我們把目光放到自然界中,各種生物的性細胞——又稱配子(gamete)——呈現出令人驚嘆的多樣性。

大部分生物具有兩種配子,我們以雄性和雌性來區分。「配子具有兩個基礎功能:攜帶營養物質以養育結合后產生的後代,以及尋找相同物種的配子並與之融合。要完成好這兩個工作並不容易,因為二者在體積-數量的權衡上有著截然不同的要求,」英國東安格利亞大學的馬修·蓋奇(Matthew Gage)解釋道,「一個最優解是產生能使後代存活率達到最大的配子,因此演化出了體積較大,營養物質豐富的配子,我們稱之為卵子,由雌性產生。另一個最優解是產生能使結合概率達到最大的配子,因此演化出了數量龐大的配子,我們稱之為精子,由雄性產生。」

在這方面的研究中,精細胞為何呈現出異常多樣的形狀和體型是非常受關注的問題。你或許會以為體型較小的生物應該具有較小的精細胞,但情況並非總是如此。事實上,目前已知最長的精子是由一種果蠅產生的。

雄性二裂果蠅(學名:Drosophila bifurca )的精子就像一個線團。科學家把它們的精細胞展開之後進行測量,發現其長度居然接近6厘米——比該物種雄性個體的長度還長20倍。在2016年發表的一篇論文中,研究人員認為這種「巨型精子」相當於細胞水平上的孔雀尾羽。換句話說,之所以演化成這樣,是因為雌性果蠅更青睞長度較長的精子。

不過,更大往往不等於更好。世界上已知最短的精子屬於一種寄生蜂——集盤絨繭蜂(學名:Cotesia congregata),長度不到7微米。

英國謝菲爾德大學的朗達·斯努克(Rhonda Snook)表示,目前關於精子體積的極端多樣性有好幾種解釋。她的研究顯示,自然選擇的作用使最成功的精子形狀和體積保留了下來。儘管不同長度的精子都有可能受到青睞,但這一切都關乎競爭和選擇。

當雌性與多個雄性交配時,精細胞之間必須展開競爭,因為只有最健康的精子才能擊敗對手,使卵子受精。這種壓力會促使無數種適應特徵出現,包括二裂果蠅精子的長尾巴。另一個競爭非常激烈的例子是潮蟲,它們的精子會形成協同工作的「鏈條」。一些蠅類和甲蟲的精液還會對競爭對手的精子產生毒害作用。

雄性動物最經常使用的一種策略是「交配塞」(mating plug),可以防止其他雄性進入雌性的生殖道。使用交配塞的動物包括蜘蛛、熊峰、松鼠,甚至還有一些靈長類。

有些動物的精子要比我們想象的大得多

然而,在繁殖遊戲中,每一個雄性都必須做出取捨,或者是選擇數量優勢,製造出大量體積微小的精子,或者是把所有的精力投注到少量較強的精子中。最佳選擇取決於幾個因素,包括精子遊動的距離,以及雄性在通過舞蹈、歌唱或豐富多彩的顏色(比如山魈)吸引到雌性之後所剩餘的能量。

此外,2015年的一項研究還顯示,越大的哺乳動物產生的精子體積越小,因為雌性的生殖道更大。或許你可以從另一個角度來看待這一現象:場地越大,所需要的運動員就應該越多。

我們還必須考慮另一種可能:雌性會做出隱秘的選擇——某些物種的雌性具有選擇利用哪些精子來受精的能力。突然之間,精細胞的形態多樣性變得不那麼令人驚奇了。「我們不知道是精子間的競爭,還是雌性的隱秘選擇,促成了精子形態的分化,」斯努克說,「但是,正如大多數科學問題那樣,這很可能是許多選擇壓力共同作用的結果。」

雌性的性細胞也同樣複雜。

剛孵出的鴕鳥雛鳥

現生動物中,鴕鳥的卵是最大的。鴕鳥蛋通常有15厘米高,13厘米寬,重量是雞蛋的20倍。相比之下,最小的鳥蛋屬於吸蜜蜂鳥(學名:Mellisuga helenae),只有不到7毫米大小,跟一顆豌豆差不多。

英國謝菲爾德大學的蒂姆·伯克黑德(Tim Birkhead )是《最完美之物:鳥蛋內外》[The Most Perfect Thing: The inside (and outside) of a bird『s egg]一書的作者,他表示,鳥蛋的大小與鳥的體型大致呈正比,但還是有少數值得注意的例外。

「渡鴉(學名:Corvus corax)和崖海鴉(學名:Uria aalge)的體型差不多,重量都在1千克左右,」伯克黑德說,「但是,渡鴉蛋的重量只有雌性體重的3%,而崖海鴉的蛋可以佔到雌性體重的12%左右。」

伯克黑德稱,決定鳥蛋大小的關鍵因素之一是雛鳥發育的方式。「雛鳥為早成鳥——新孵出來時已經發育得很好——的物種通常會產下相對較大的卵,比如渡鴉和崖海鴉的例子,」伯克黑德說道。

這一現象令人困惑,而我們在使用「卵」這個詞的時候也有點矛盾。在英文中,「卵」和「蛋」都是「egg」。當你將鳥蛋與人的卵子進行比較時,這一點尤其明顯。卵子的直徑只有0.12毫米,而雞蛋可以有55毫米長。問題在於,雞蛋中不僅有卵細胞,它裡面還有許多其他東西。

人類的卵母細胞

人類女性在子宮裡孕育後代,而產卵動物則必須為幼體提供足夠的營養物質,使它們在母親體外進行發育。為了達到這一目的,這些動物生成了一個結構——被有點混淆地稱為「卵」——為幼體提供食物、水和保護。動物界的許多成員都採用了這種方式,包括鳥類、昆蟲和魚類。

我們可以定位出雞蛋里發育成胚胎的部分,但該部分如果沒有與營養物質和蛋殼連接在一起,它就無法進行發育。按照這一說法,鴕鳥蛋仍然可以稱得上是世界上最大的卵細胞。

伯克黑德表示,這又是一種演化上促使卵細胞體積分化的權衡。對於某些物種,數量較少、體積更大的卵可以帶來最大的收益,而其他物種則會更傾向於數量取勝。

佛羅里達大學的昆蟲學家在1994年發表的一篇綜述中指出,通常而言,在其他微小動物體內產卵的寄生蟲具有最小的卵。不過,與這些顯微水平上的卵有關的數據很難找到。根據這篇綜述,一種名為黑袍卷鬚寄蠅(學名:Clemelis pullata)的寄生蠅的卵是目前已知最小的,長0.027毫米,寬0.02毫米。

不過,目前還沒有人對纓小蜂科物種的性細胞進行研究。纓小蜂是世界上最小的昆蟲類群之一,長度只有0.5到1毫米,或許它們的卵才是最小的。

文章源自新浪科技

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